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Thiamidol这类人酪氨酸酶选择性抑制剂黄褐斑临床前研究如何设计方案:有色豚鼠色素表型、人TYR活性与物种差异如何处理
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PREFACE 00

前言

酪氨酸酶(Tyrosinase,TYR)一直是色素沉着药物开发中最经典的靶点之一,但真正进入人体以后有效的TYR抑制剂,远没有体外筛选阶段看起来那么多。

一个很重要的原因,是很多候选物早期使用的并不是人酪氨酸酶,而是价格低、操作方便的蘑菇酪氨酸酶。两者虽然都能催化黑素生成相关反应,但蛋白结构、活性位点周围氨基酸环境以及抑制剂结合特征并不完全相同。

Thiamidol,也就是Isobutylamido thiazolyl resorcinol,是这个问题非常典型的例子。

它最初通过重组人酪氨酸酶体系筛选获得,对人TYR表现出较强抑制活性,同时对蘑菇TYR的抑制明显弱得多。也就是说,如果早期完全依赖蘑菇TYR筛选,这类具有明显人酶选择性的分子反而可能被错误淘汰。

对于正在开发Thiamidol类似物、下一代人TYR选择性抑制剂或者其他局部抗色素沉着小分子的企业来说,临床前研究因此不能只做一套黄褐斑动物实验。

有色豚鼠非常适合看皮肤颜色、黑素面积、外用制剂效果以及持续色素改善,但豚鼠皮肤变浅并不能直接证明候选物在人TYR上的药理强度。

一套更合理的开发方案,需要把人TYR生化活性、人源黑素细胞功能、三维人皮肤模型、有色豚鼠黄褐斑表型以及局部皮肤暴露分别放在合适的位置。

最终需要回答的核心问题也不再只是“这个药能不能淡斑”,而是:候选物是否真正命中了人TYR,达到有效人TYR抑制所需要的浓度能否在皮肤中实现,动物色素改善能否与局部暴露对应,同时这种色素下降是不是建立在黑素细胞仍然存活的基础上。

导读

一、Thiamidol类药物临床前研究为什么首先要解决TYR物种差异

二、人TYR、蘑菇TYR和动物皮肤模型应该分别承担什么任务

三、有色豚鼠黄褐斑模型为什么仍然值得作为核心体内模型

四、动物实验应该采用预防性给药还是稳定色沉后的治疗性给药

五、人TYR活性应该怎样做到候选物筛选和PCC决策层面

六、人源黑素细胞为什么是连接酶学与动物药效的关键一层

七、皮肤PK如何判断外用浓度是否真正覆盖人TYR有效区间

八、豚鼠模型中哪些色素终点最有价值,哪些指标容易被过度解读

九、如何区分TYR抑制、黑素细胞毒性和单纯抗炎导致的皮肤变浅

十、阳性对照为什么需要区分“模型阳性”和“同靶点Benchmark”

十一、从Lead筛选到PCC阶段,推荐怎样组合整个数据包

十二、Thiamidol类项目最容易出现哪些临床前设计问题

SECTION 01

01

Thiamidol类药物临床前研究为什么首先要解决TYR物种差异

TYR位于黑素生成通路非常靠前的位置,负责催化L-tyrosine向L-DOPA以及后续多巴醌生成,是控制黑素合成的重要限速酶。

因此,很多色素沉着项目的早期筛选都从TYR抑制开始。

问题在于,“检测TYR活性”并不等于检测到了与临床相关的TYR药理。

实验室常用的蘑菇TYR具有成本低、酶活稳定和适合高通量的优势,非常适合做快速初筛。但如果候选物最终靶点是人TYR,蘑菇TYR最好只承担筛选工具的角色,不能直接承担最终候选物排序。

Thiamidol恰好说明了这一点。

公开研究中,Thiamidol对重组人TYR表现出微摩尔级抑制,而对蘑菇TYR的抑制明显弱得多。它在人黑素细胞和人源皮肤体系中仍然保持较好的黑素生成抑制能力,说明这种人TYR活性能够继续向细胞水平传递。

对于下一代TYR候选药,真正需要警惕的是两种情况。

第一种,候选物在蘑菇TYR上非常强,所以直接进入动物。最终动物出现一定淡化效果,就被认定为“强TYR抑制剂”。但到了人TYR检测时,活性可能明显下降。

第二种恰恰相反。候选物在蘑菇TYR上表现一般,却对人TYR具有更高亲和力。如果早期筛选阈值完全按照蘑菇TYR确定,这类分子可能在真正进入人酶验证之前就已经被淘汰。

所以对于以“人TYR高选择性”为产品卖点的项目,人TYR不能放到动物实验以后补做,而应该成为Lead筛选阶段就介入的核心药理平台。

SECTION 02

02

人TYR、蘑菇TYR和动物皮肤模型应该分别承担什么任务

TYR项目比较容易出现的问题,是把几个完全不同层级的模型放到一起比较谁“更可靠”。

实际上它们承担的是不同任务。

研究体系核心价值最适合回答的问题不能单独回答的问题
蘑菇TYR快速、便宜、适合大规模初筛化合物是否具备潜在酶抑制骨架对人TYR是否真正有效
重组人TYR靶点最直接IC₅₀、Ki、抑制模式、候选物排序能否进入黑素细胞并抑制真实黑素生成
人源黑素细胞连接靶点与细胞功能黑素生成、TYR活性、细胞存活完整皮肤屏障和局部暴露
3D人源皮肤更接近人体皮肤结构表皮递送、黑素生成、组织毒性完整体内PK和长期色素动力学
有色豚鼠黄褐斑模型真实皮肤、长期给药和可视化表型色差、黑素面积、制剂效果、局部耐受候选物对人TYR的选择性
人体临床最终转化人体复色/淡斑、安全性前期机制拆分效率较低

这张表实际上决定了整个项目的开发顺序。

如果候选物目标就是“下一代人TYR选择性抑制剂”,首先应该在人TYR上证明它比现有Benchmark更强或者具有其他差异化优势。

随后进入人源黑素细胞,确认这种酶学优势能够转化成细胞水平黑素下降。

动物实验解决的是另外一个问题:这个分子做成实际外用制剂以后,能不能穿过皮肤屏障,在长期使用情况下稳定降低皮肤黑素,同时保持良好局部耐受。

动物药效很好,并不能反过来替代第一步的人TYR数据。

SECTION 03

03

有色豚鼠黄褐斑模型为什么仍然值得作为核心体内模型

既然存在物种差异,是不是意味着人TYR选择性药物就没有必要做动物?

并不是。

人TYR解决的是“药物有没有真正命中人靶点”,有色豚鼠解决的是“一个实际外用产品能不能在完整皮肤环境中产生可重复的色素改善”。

这两类证据并不冲突。

有色豚鼠本身具有明显可见的皮肤色素,紫外联合激素干预以后可以形成稳定的局部色素沉着。相比普通小鼠,豚鼠皮肤颜色变化更直观,更适合进行连续色差测量、数字图像定量以及治疗前后的自身纵向比较。

对于Thiamidol类外用药,豚鼠模型尤其适合回答四个问题。

第一,候选制剂长期外用以后能不能真正改善色沉。

第二,不同浓度或者不同处方之间能不能形成稳定的剂量—表型关系。

第三,黑素下降以后,黑素细胞数量是否仍然保持。

第四,停止治疗以后色素会不会快速反弹。

但动物结果的解释必须更加克制。

如果候选物在豚鼠中表现一般,但人TYR、人黑素细胞和人源3D皮肤均表现非常强,不能立即认为项目失败,因为有可能存在真实的物种药理差异。

相反,如果豚鼠淡斑非常明显,但人TYR活性较弱,也不能因为动物结果漂亮就忽略靶点转化风险。

这也是人TYR选择性项目与普通淡斑制剂评价最大的区别。

SECTION 04

04

动物实验应该采用预防性给药还是稳定色沉后的治疗性给药

黄褐斑候选药经常出现一个设计偏差:UV照射和激素干预刚开始,候选药就同步涂抹。

这种设计通常更容易产生显著差异,但它回答的是“能不能防止色素沉着形成”。

临床真正面对的患者,通常已经形成持续存在的色素斑,因此对于已经进入正式候选药阶段的项目,更有价值的是治疗性设计。

比较推荐的思路,是先完成UV联合激素诱导,连续记录L*值、综合色差或者Melanin Index变化。当模型达到预先设定的色沉阈值,并且连续多个观察点基本稳定后,再按照基线色差进行分层随机。

这样做有两个好处。

一方面,各组治疗开始时色素程度接近,后续剂量比较更可靠。

另一方面,可以直接观察候选物能否降低已经形成的黑素,而不是仅仅阻断UV刺激过程。

如果企业开发的是日间预防型产品、防晒联合淡斑产品或者PIH预防产品,则可以额外增加预防性队列。

但是治疗性和预防性实验最好明确分开,不要在同一组结果中同时解释。

正式药效治疗周期也不要设置得太短。

TYR活性被抑制以后,已经生成的黑素仍然需要通过角质形成细胞更新和表皮代谢逐渐消退。因此,近端药理变化会早于肉眼色差变化。

动物实验应该允许这两个过程出现足够的时间差。

SECTION 05

05

人TYR活性应该怎样做到候选物筛选和PCC决策层面

对于下一代Thiamidol类似物,单独报一个IC₅₀已经不够。

在Lead优化阶段,至少建议获得以下几类数据。

第一是人TYR IC₅₀。

它回答候选物的基本效力。

第二是Ki以及抑制类型。

Thiamidol属于直接作用于TYR催化区域的抑制剂。对于新分子,需要判断属于竞争性、非竞争性还是混合型抑制,因为这会影响不同底物浓度下的真实效应。

第三是活性可逆性。

一个分子让TYR活性降低,可能来自真正的可逆酶抑制,也可能来自不可逆酶失活、氧化反应或者细胞毒性。

对于需要长期涂抹在面部的黄褐斑产品,可逆、非细胞毒性的黑素抑制通常更容易形成合理的长期安全性逻辑。

第四是物种酶谱。

如果项目已经计划使用豚鼠作为主要体内模型,最好在条件允许时增加候选物对人TYR和对应动物TYR或动物黑素细胞TYR功能的比较。

目的并不是要求两个物种活性完全一致,而是提前知道动物模型可能低估还是高估人体药理。

第五是Benchmark。

如果开发定位就是“优于Thiamidol的人TYR抑制剂”,Thiamidol应该直接进入同一批人TYR实验,用完全相同的底物浓度、酶量、反应时间和数据分析方法进行比较。

不同文献之间直接拿IC₅₀数字横向比较,意义很有限。

TYR酶活实验对底物、反应条件和蛋白来源都比较敏感。真正有开发意义的是同一个体系里的头对头数据。

SECTION 06

06

人源黑素细胞为什么是连接酶学与动物药效的关键一层

人TYR活性很强,并不保证在细胞里同样有效。

候选物还需要穿过细胞膜、进入黑素体相关环境,并在不损伤黑素细胞的前提下真正降低黑素生成。

因此,人源黑素细胞不能省略。

比较实用的检测体系可以包括细胞内TYR活性、总黑素含量、TYR蛋白、MITF以及必要的TRP-1/TRP-2。

这里需要特别注意MITF。

如果候选药设计定位就是直接抑制TYR酶活,理论上不一定要求MITF和TYR蛋白表达明显下降。

有些项目看到黑素减少以后,为了把机制“做得更完整”,又强行寻找MITF下降、TYR表达下降,最后反而把一个本来很清楚的直接酶抑制机制做复杂了。

对于Thiamidol类候选药,最有价值的结果反而可能是:

TYR蛋白数量基本不变,但TYR酶活下降;黑素生成减少;去除药物后功能可以恢复;与此同时黑素细胞数量和活性保持稳定。

这条证据比“MITF、TYR、TRP-1全部下降”更符合直接TYR抑制剂的药理特点。

当然,如果新的候选物同时影响MITF-TYR转录轴,则需要另外解释,但不能因为黑素下降就默认机制一定经过MITF。

SECTION 07

07

皮肤PK如何判断外用浓度是否真正覆盖人TYR有效区间

外用TYR抑制剂开发中经常出现一个很大的数据断层。

体外已经知道人TYR IC₅₀是1 μM左右,动物实验使用0.1%、0.2%、0.5%三个浓度,也看到了皮肤颜色变化,但没有人知道最终有多少药真正到达了基底层黑素细胞。

这样就很难建立暴露—药效关系。

对于准备进入PCC或者更后期开发的项目,建议把皮肤PK加入正式药效包。

至少需要固定制剂浓度、单位面积给药量、实际涂药面积和给药频次,然后检测给药后的皮肤组织浓度及血浆浓度。

如果条件允许,最好进一步区分表皮和真皮。

TYR主要位于黑素细胞内,而表皮基底层是黄褐斑黑素生成最关键的区域之一。如果药物大量进入真皮,却很少到达表皮,整块皮肤匀浆的“高浓度”可能会误导开发判断。

取材前还必须充分清除皮肤表面的残余制剂。

外用制剂残留如果进入匀浆,会明显高估组织暴露。

对于Thiamidol类似项目,最终最好能够建立这样一个关系:

外用制剂浓度增加以后,表皮有效暴露逐渐升高;当局部暴露达到人源细胞有效浓度附近时,TYR功能和黑素开始下降;继续提高外用浓度后,皮肤药效进入平台,而局部刺激或系统暴露开始增加。

这个“最低有效局部暴露”比单纯找到最高有效制剂浓度更有开发价值。

SECTION 08

08

豚鼠模型中哪些色素终点最有价值,哪些指标容易被过度解读

有色豚鼠最大的优势就是可以连续看颜色。

因此,色差仪和标准化影像应该放在非常高的优先级。

建议至少固定L*值、综合色差ΔE或者Melanin Index中的一套定量体系,并在同一皮肤区域进行重复测量。

动物应该按照治疗前色沉程度进行分层随机。

组织学方面,Fontana-Masson非常重要。

它能够直接显示表皮和毛囊等区域的黑素分布,并与肉眼颜色变化形成对应。

如果需要进一步判断黑素细胞是否被保存,则应增加Melan-A、SOX10或者其他适用的黑素细胞标志。

TYR酶活本身也值得检测,但解释时必须注意物种问题。

豚鼠皮肤TYR下降可以证明候选物对动物黑素生成体系产生作用,却不能直接等价为“人TYR被抑制到相同比例”。

所以这类项目最好形成两套平行终点:

证据层级核心终点主要结论
人靶点重组hTYR IC₅₀/Ki候选物是否真正命中人TYR
人细胞TYR活性、黑素、细胞存活人TYR抑制是否转化为功能药效
动物皮肤L*、ΔE、Melanin Index完整皮肤中是否真正降低色沉
动物组织Fontana-Masson、黑素细胞数量黑素下降来自抑制生成还是细胞损失
局部暴露表皮/皮肤药物浓度实际制剂能否达到有效组织暴露
安全性红斑、水肿、组织刺激、细胞毒性长期外用是否具有合理治疗窗

通过这种设计,动物模型负责表型,人源体系负责靶点,两边不互相替代。

SECTION 09

09

如何区分TYR抑制、黑素细胞毒性和单纯抗炎导致的皮肤变浅

这是TYR抑制剂项目必须认真解决的问题。

皮肤颜色变浅有很多原因。

第一种是真正降低黑素生成。

第二种是直接损伤甚至杀伤黑素细胞。

第三种是降低UV引起的炎症和继发色素生成。

第四种是改变角质层或者皮肤光学性质,让肉眼看起来更亮。

对于药物开发而言,这几个结果完全不是一回事。

如果候选药使Fontana-Masson黑素明显下降,同时Melan-A或SOX10阳性黑素细胞数量基本保持,细胞活力和组织结构也没有明显损伤,这更支持真正的黑素生成抑制。

如果黑素和黑素细胞数量同步下降,需要警惕细胞毒性。

如果TYR和黑素变化不明显,但炎症指标、红斑和色差改善,则候选药可能主要是通过抗炎降低炎症后色沉,并不能直接作为强TYR抑制剂解释。

因此,建议至少同时看三类数据:

TYR功能;

黑素含量;

黑素细胞数量和活性。

只有三者组合起来,才能回答“皮肤为什么变浅”。

SECTION 10

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阳性对照为什么需要区分“模型阳性”和“同靶点Benchmark”

Thiamidol类项目在阳性药选择上也存在一个容易被忽略的问题。

如果目的是证明有色豚鼠黄褐斑模型可以响应淡斑治疗,可以选择在该动物体系中具有稳定色素改善能力的经典阳性药。

这属于“模型阳性”。

但如果企业开发的是下一代人TYR选择性抑制剂,真正决定项目竞争力的是在人TYR体系中能不能优于Thiamidol。

这属于“同靶点Benchmark”。

两个对照不一定必须是同一个药。

尤其对于具有明显物种选择性的TYR抑制剂,如果Thiamidol在豚鼠中的药理强度与人体差异较大,强行要求候选物在豚鼠中一定要全面优于Thiamidol,可能产生错误判断。

更合理的方法是把比较拆开。

在人TYR和人黑素细胞中,与Thiamidol进行严格头对头比较。

在有色豚鼠中,则重点证明候选制剂具有稳定、剂量相关的体内色素改善,并通过局部PK解释动物暴露。

如果Thiamidol同时能够在动物中形成稳定Benchmark,当然可以继续加入,但不能把动物头对头结果作为评价“人TYR选择性优势”的唯一依据。

SECTION 11

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从Lead筛选到PCC阶段,推荐怎样组合整个数据包

Thiamidol类项目比较适合按照四个阶段推进。

1、Hit到Lead阶段:先把人TYR做对

这一阶段的重点不是动物。

建议完成重组人TYR IC₅₀、Ki和抑制类型,并以Thiamidol作为同批Benchmark。

蘑菇TYR可以保留作为早期快速筛选,但最终候选物排序应以人TYR为主。

如果同一个系列化合物在人TYR和蘑菇TYR上的SAR完全不同,这本身就是非常重要的药物化学信息。

2、Lead确认阶段:证明人细胞中真的降低黑素

进入原代人黑素细胞或者可靠的人源黑素细胞体系。

重点检测TYR功能、黑素含量、细胞活力和黑素细胞状态。

这个阶段最重要的是淘汰“酶学很好,但细胞进不去”以及“淡化很强,但本质上有细胞毒”的候选物。

有条件时,可以增加3D色素皮肤模型。

3、制剂确认阶段:进入有色豚鼠

完成UV联合激素黄褐斑模型以后,再进行治疗性给药。

建议保留2—3个候选浓度,评价L*、ΔE或Melanin Index、标准化照片、Fontana-Masson、TYR功能、黑素细胞数量和局部刺激性。

如果不同制剂处方竞争,则必须统一单位面积给药量,并同步测皮肤暴露。

4、PCC前阶段:建立真正的暴露—靶点—表型闭环

这一阶段应该把人源体系和动物体系重新连接起来。

比较推荐的核心数据包如下:

模块PCC前建议达到的证据
人TYR明确IC₅₀、Ki,并完成与Thiamidol头对头
人黑素细胞黑素下降,同时排除明显细胞毒性
3D人皮肤条件允许时验证组织层面黑素抑制
有色豚鼠稳定治疗性色差和黑素改善
皮肤PK建立有效皮肤暴露及剂量关系
局部安全明确长期外用刺激性和组织耐受
停药观察根据产品定位观察反弹和色素维持

做到这一阶段以后,企业拿到的已经不只是“某个浓度的乳膏有效”。

更重要的是能够回答:这个候选物为什么值得相对于现有TYR抑制剂继续开发。

SECTION 12

12

Thiamidol类项目最容易出现哪些临床前设计问题

第一个问题,是把蘑菇TYR IC₅₀作为核心药理数据。

对于强调人TYR选择性的候选物,这种做法风险很高。蘑菇TYR可以初筛,但不能决定最终候选物排序。

第二个问题,是动物有效以后才补做人TYR。

这样很容易出现动物已经投入大量资源,最后才发现候选物对人TYR活性并没有预期那么强。人靶点数据应该前移。

第三个问题,是认为豚鼠有效就证明人TYR有效。

动物模型证明的是整体皮肤药效,不能自动解决靶点物种选择性。

第四个问题,是只测TYR蛋白表达。

直接酶抑制剂可能在TYR蛋白基本不变的情况下显著降低酶活。只做Western blot或者IHC容易漏掉真正药理作用。

第五个问题,是要求MITF必须下降。

如果药物本身是直接TYR抑制剂,MITF不下降完全可以是合理结果。机制指标应该服务于药物本身,而不是为了让通路图更复杂而堆指标。

第六个问题,是看到皮肤变浅却不检测黑素细胞数量。

如果黑素下降来自黑素细胞毒性,产品的长期安全性逻辑与可逆TYR抑制完全不同。

第七个问题,是外用制剂只按照百分浓度比较。

0.1%和0.2%的名义浓度不能代表真实表皮暴露。制剂基质、单位面积给药量和渗透性都可能改变最终药效。

第八个问题,是皮肤PK没有清除表面残留制剂。

这会严重高估真实组织药物浓度,导致暴露—药效关系失真。

第九个问题,是所有实验都围绕“黑素越低越好”。

黄褐斑药物需要长期使用,真正理想的TYR抑制剂应该在降低异常黑素生成的同时保留正常黑素细胞和皮肤结构。药效强度和安全窗口必须同时评价。

第十个问题,是强行要求动物Benchmark结果完全复制人体排序。

对于存在明显物种选择性的靶点,这种要求本身并不合理。人TYR、人黑素细胞和动物皮肤各自承担不同证据层级,应该组合判断,而不是让一个动物模型决定全部Go/No-Go。

对于Thiamidol这类人TYR选择性抑制剂,黄褐斑临床前研究最核心的思路,其实是把“靶点是否正确”和“产品是否有效”拆开,再重新建立联系。

人TYR体系负责证明候选物真正命中了临床相关靶点,并确定相对于Thiamidol等Benchmark的真实药理强度;人源黑素细胞负责证明这种酶学优势能够转化成黑素生成下降,同时排除细胞毒性;有色豚鼠紫外联合激素模型则负责评价实际外用制剂在完整皮肤环境中的长期色素改善、剂量关系和局部耐受;皮肤PK进一步回答有效药物浓度究竟有没有真正达到表皮靶组织。

最终一个高质量项目应该形成这样一条证据链:

人TYR高效抑制→人黑素细胞TYR功能和黑素生成下降→外用制剂形成足够皮肤暴露→有色豚鼠色差和组织黑素改善→黑素细胞仍然保留→停药后色素变化具有可解释性。

对于准备开发下一代Thiamidol类似物的企业来说,真正的竞争力也不应该只体现在“动物皮肤更白”。

更重要的是证明候选物在人TYR上具有明确优势,这种优势能够在合理的局部暴露下转化成持续的皮肤色素改善,同时又不依赖黑素细胞毒性。

把这几层证据做清楚,才有可能真正回答一款新型人TYR抑制剂是否值得继续向PCC和后续开发推进。

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